Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Verbesserte Stabilität von Elektronenspins in Qubits

08.09.2015

Das Rechnen mit Elektronenspins im Quantencomputer setzt voraus, dass die Spinzustände ausreichend lange andauern. Physiker der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Institute konnten nun zeigen, dass ein Austausch von Elektronen in Quantenpunkten die Stabilität dieser Information grundlegend beschränkt. Die Kontrolle dieses Austauschprozesses ebnet den Weg, um bei der Kohärenz der fragilen Quantenzustände weitere Fortschritte zu erzielen. Dies berichten die Basler Forscher in der Fachzeitschrift «Physical Review Letters».

Die Grundidee des Quantencomputers besteht darin, die Nullen und Einsen der heutigen Bits durch Quantenzustände, kurz Qubits, zu ersetzen. Qubits sind Informationseinheiten, die nicht nur die Werte null und eins annehmen können, sondern bei denen null und eins gleichzeitig und in beliebiger Mischung in einer Quanten-Überlagerung möglich sind.


Doppelter Quantenpunkt: Die die drei oberen und unteren Kontakte halten bis zu zwei einzelne Elektronen gefangen, deren Spinzustände die quantenmechanische Informationseinheit bilden.

Universität Basel

Qubits lassen sich zum Beispiel mit den Spins einzelner Elektronen realisieren, die in nanometergrossen Strukturen aus Halbleitermaterial, sogenannten Quantenpunkten, festgehalten werden. Durch Ausnutzung quantenmechanischer Prinzipien wie der Überlagerung kann ein Quantencomputer enorme Rechengeschwindigkeiten erreichen – aber nur, wenn die Elektronenspins ausreichend lange andauern.

In den vergangenen Jahren liess sich diese sogenannte Kohärenzzeit auf über eine Millisekunde ausdehnen, indem es gelang, durch Kernspins verursachte Störung zu reduzieren. Damit gewann die Frage an Bedeutung, welche weiteren Ursachen die Stabilität der Elektronenspins beeinträchtigen.

Austausch von Elektronen entdeckt

Physiker der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Institute haben nun festgestellt, dass die Kohärenz der Qubits durch einen Vorgang beschränkt wird, bei dem einzelne Elektronen zwischen einem Quantenpunkt und einem externen Reservoir ausgetauscht werden. Das Reservoir stellt eine Art Elektrode dar, die mit dem Quantenpunkt in Kontakt steht und für die Messungen benötigt wird.

Die Forscher um Professor Dominik Zumbühl beobachteten im Experiment, dass ausgelöst durch eine thermische Anregung ein Elektron aus dem Quantenpunkt ins Reservoir springt und kurz darauf ein anderes Elektron aus dem Reservoir in den Quantenpunkt wechselt.

Durch den Austausch entsteht ein kurzlebiger Ladungszustand, den die Basler Forscher nun erstmals mit einem Ladungssensor nachweisen konnten. Der Austauschprozess führt auch dazu, dass die Elektronenspins regellos angeordnet werden, wodurch die Quanteninformation verlorengeht.

Grundlegender Prozess für Kohärenz

Aufgrund der experimentellen Beobachtungen konnten die Forscher die bisherige theoretische Beschreibung von doppelten Quantenpunkten, die zwei Elektronen aufweisen können, entscheidend erweitern. Zudem gelang es, die Intensität des temperaturabhängigen Austauschprozesses zu beeinflussen, indem sie die Elektronen auf 60 Millikelvin herunterkühlten. Zugleich liess sich der Prozess verlangsamen und die Stabilität der Spins ausdehnen, indem sie die Spannungen an den Zugängen des Quantenpunktes, den sogenannten Gates, veränderten.

Das Verständnis und die Kontrolle dieses für Quantenpunkte grundlegenden Austauschprozesses ebnet den Weg, um bei der Kohärenz von Qubits weitere Fortschritte zu erzielen. Gleichzeitig eröffnet sich damit eine Möglichkeit, um in den Quantenpunkten schnell die gewünschten Spinzustände zu erzeugen.

Umsetzung eines theoretischen Konzepts mit Basler Wurzeln

Der Ansatz, Quantenpunkte in Halbleitern zu verwenden, um den Spin eines einzelnen Elektrons als Qubit zu nutzen, geht auf Prof. Daniel Loss von der Universität Basel und den amerikanische Physiker David DiVincenzo zurück. Ihr Konzept, das sie 1998 vorgelegt hatten, verfügt auch über das Potenzial, Quantencomputer mit vielen verbundenen Spin-Qubits zu realisieren. Die aktuelle Studie entstand in Zusammenarbeit mit Forschern der University of St Andrews (GB) und der University of California, Santa Barbara (USA).

Originalbeitrag

D. E. F. Biesinger, C. P. Scheller, B. Braunecker, J. Zimmerman, A. C. Gossard, D. M. Zumbühl
Intrinsic Metastabilities in the Charge Configuration of a Double Quantum Dot
Physical Review Letters 115 (2015), doi: 10.1103/PhysRevLett.115.106804

Weitere Auskünfte

Prof. Dr. Dominik Zumbühl, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 267 36 93, E-Mail: dominik.zumbuhl@unibas.ch

Weitere Informationen:

https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Verbesserte-Stabilitaet-von-E...

Yannik Sprecher | Universität Basel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik
20.07.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics